变刚度垫层在压实填土地基的应用与研究

张伟1,张长城2,丁冰2,刘彬2,魏晓军2,张小波2

（1.新疆机场(集团)有限责任公司，2.新疆建筑设计研究院有限公司）

摘要:压实填土地基的变形由原地基变形和填土体变形等两部分组成，在压实填土施工工程中，采用变刚度分层垫层的方法，其一、人为加强某层填土层刚度，减小该层的变形量；其二、使地基附加应力在竖向方向传递发生变化，减小地基附加应力对下层地基的影响，减小填土地基的沉降量。采用变刚度垫层设计，不但满足建（构）筑物对地基强度和变形的要求，而且也符合经济合理的原则。

关键词：垫层、变刚度、变形模量、附加应力、变形

1.工程概况

随着城市建设发展，城市建设范围扩大，许多项目选择在山前坡地进行工程建设，根据规划和竖向设计要求，场地和地基必然进行挖高填低的工作，产生了大量的填土场地和地基。延安新区平山造地工程提出“三面两体一水控制论”，有效解决了高填方工程的主要工程技术问题[1]。宰金珉教授进行模型试验，在基础底板下设置钢筋混凝土垫层，调整天然地基刚度，使其在基础平面范围内地基刚度不同，减少不均匀沉降，从而减少基础内力，使基础达到最优的工作状态[2]。张志刚老师的模型试验同样在基底下设置混凝土变刚度垫层，改变地基土的工作状态，基底深处土的附加应力减小，其变形也减小[3]。

在工程建设实践中，对于压实填土地基主要质量控制指标为压实系数，而模型试验的变刚度垫层采用混凝土[1]。刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。刚度与物体的材料性质、几何形状、边界支持情况以及外力作用形式有关。材料的弹性模量和剪切模量越大，则刚度越大。刚度是物质宏观的性质，其计算公式： k=P/δ，P是作用于结构的恒力，δ是由于力而产生的形变。在岩土工程学科，通常采用变形模量或压缩模量表示岩土体刚度参数。在填土压实地基中可人为控制分层填土的刚度，进行变刚度垫层设计，为减少压实填土的沉降量，可进行加强刚度垫层设计；为减少孤石或岩石凸起的影响，可进行减弱垫层刚度设计。

新疆吐鲁番机场改扩建设项目位于新疆吐鲁番市西北郊，距吐鲁番市中心10.5千米，分为二个地块，1#地块为油库区，占地约250.0 m×155.0m；2#地块为新建航站楼区域，占地约205.0 m×160.0m。场地地形呈现北高南低、高差约15米，东西高程近水平状，场区地层结构单一，表层覆盖1.0m~2.0m回填土，其下为第四系巨厚冲洪积碎石土层，中密～密实，干～稍湿，骨架颗粒呈交错排列，中砂、细砂混少量土充填，颗粒磨圆度较好，质硬，一般粒径2 cm～4cm，大者6 cm～8cm，个别可达20cm。

2.地基处理设计：

本次改扩建航站楼和储油库区场地紧邻吐鲁番机场原有航站楼，南侧距兰新高铁线约1公里，依据地基处理目的要求，综合考虑场地工程地质条件、拟场地竖向设计和油罐荷载等要求，结合施工的设备和工期，需要填筑厚度1.0～18.0m，整个场区采用分层压实回填土(碎石土)处理方法，其中航站楼和储油罐基底范围增加变刚度加强垫层设计（储油库区如图1），从而减小地基变形，使工程建设质量安全、经济合理并利于施工。采用分层压实回填土(碎石土)+变刚度垫层的处理方法。回填用料选用场地开挖碎石土，地基处理质量控制要求：压实系数≥0.97，承载力特征值fak≥250 kPa，变形模量E0≥20 MPa。

图1 储油库区

在油罐区填土范围设置三层变刚度垫层（示意图2如下），每层厚度1.0m，材料为天然级配碎石土与水泥的混合料,碎石土最大粒径不大于100mm，混合料中水泥含量3~5%，拌和均匀，水泥为R42.5普通硅酸盐水泥，要求初凝时间3h以上、终凝时间6h以上。

回填碎石土的颗粒分析如下表1。

表1 回填碎石土的颗粒分析

粒径(mm)	＞60	60～40	40～20	20～10	10～5	5～2
百分比(%)	9.10	14.25	32.58	14.57	8.04	6.28
粒径(mm)	2～1	1.0～0.5	0.5～0.25	0.25～0.075	＜0.075
百分比(%)	2.05	4.14	4.94	3.50	0.55

图2 储油罐变刚度垫层设计示意图

3.地基处理施工

压实回填土（碎石土）垫层和变刚度（碎石土加水泥）垫层的分层回填厚度35cm，严格控制虚铺厚度，允许偏差为+5cm，采用质量大于25t的碾压设备碾压，每层碾压遍数按振动碾压8~10遍控制，控制回填压实系数≥0.97，每层合格后方可铺填上层继续施工。

变刚度垫层混合料采用现场碎石土和R42.5普通硅酸盐水泥混合，要求初凝时间3h以上和终凝时间6h以上，水泥拌合量为3.8t/100㎡。

变刚度垫层施工流程：回填碎石土虚铺→刮平机找平→水泥布撒车布撒水泥→就地冷再生机械搅拌混合料均匀→洒水车洒水湿润→压路机碾压→试验检测→检测合格后进行下一层施工。见图3、图4。

图3 变刚度垫层施工

图4 变刚度垫层施工

4.检测与监测

施工过程中和施工后进行检验检测，完成密度试验、波速试验和静力载荷试验等检测。工作量如下表2：

表2 现场检测工作量

	碎石土垫层	变刚度垫层
密度	1279	30
载荷试验	9	6
波速试验	9	5

注：该表中密度和波速试验为工程检测工作；表中载荷试验数据为专项试验数据，非工程检测数据。

4.1密度检测

现场密度试验采用灌砂（灌水）法。根据试样最大粒径，确定试坑尺寸。将选定试验处的试坑地面整平，除去表面松散的土层。按确定的试坑直径划出坑口轮廓线，在轮廓线内下挖至要求深度，边挖边将坑内试样装入盛土容器内，称试样质量。试坑挖好后，放上相应尺寸的套环，用水平尺抄平，将大于试坑容积的塑料薄膜袋平铺于坑内，翻过套环压住薄膜四周。准确量取注入砂（水）的体积。用烘箱方法测定含水率，计算碎石土干密度。因碎石土垫层和变刚度垫层统一采用现场挖掘的碎石土料，干密度区间值一致，无明显差异，干密度介于3.36~3.39g/cm3之间，某一层垫层的试验数据绘制散点图，如图5

图5 垫层干密度检测统计

4.2载荷试验

原位静力载荷试验，采用慢速维持荷载法，圆形压板，堆载平台提供反力，加荷分8～10级。碎石土垫层试验荷板面积0.25m2（直径0.56m），变刚度垫层试验荷板面积0.07m2（直径0.30m）。

4.2.1在碎石土垫层进行载荷试验共9点，施加荷载600kPa压力，相应沉降4.33~6.80mm，变形模量26~49MPa。其试验数据如表3，典型载荷试验曲线如图6和图7。

表3 载荷试验成果表

编号	荷载(kPa)	沉降量(mm)	变形模量(MPa)
1	600	5.41	45
2	600	6.80	36
3	600	6.52	38
4	600	4.33	56
5	600	4.68	52
6	600	6.07	40
7	600	6.30	39
8	600	6.77	36
9	600	6.74	36

图6 油罐区碎石土垫层1#载荷试验曲线

图7航站区碎石土垫层4#载荷试验曲线

4.2.2变刚度垫层载荷试验

在变刚度垫层进行载荷试验，分为两个时间点，即初凝时间和终凝时间。初凝时间，在变刚度垫层碾压完成随即安装试验设备进行试验，试验点数2点；终凝时间，在变刚度垫层碾压完成24小时后安装试验设备进行试验，试验点数4点。变刚度垫层施加荷载600kPa压力，沉降分别为2.40、2.89mm（初凝）、0.72~0.85mm（终凝）；变形模量分别为45、55 MPa（初凝）、154~182 MPa（终凝）。终凝后变形模量显著增加，变刚度垫层变形模式为碎石土垫层变形模量的3~4倍。其试验数据如表4，典型载荷试验曲线如图8和图9。

表4变刚度垫层载荷试验数据表

编号	荷载(kPa)	沉降量(mm)	变形模量(MPa)	状态
1	600	2.40	55	初凝
2	600	0.78	168	终凝
3	600	0.75	175	终凝
4	600	0.85	154	终凝
5	600	2.89	45	初凝
6	600	0.72	182	终凝

图8 变刚度垫层载荷试验-初凝5#试验曲线

图9变刚度载荷试验-终凝6#试验曲线

4.3波速试验

波速检测采用SWS—5型工程面波动测仪，整个系统由计算机控制，拾震器为灵敏度较高的4Hz低频检波器，震源为人工敲击，12道检波器，0.5～1.0m道间距，5.0～10.0m偏移距，垂直叠加3～5次，取得面波频散曲线，计算分析其变化及特征。在变刚度垫层处剪切波速频散曲线呈凸起状，波速值大于450m/s。典型波速试验曲线如图10、图11。

图10波速试验变刚度垫层频散曲线图

图11波速试验变刚度垫层频散曲线图

4.4试验分析

基础底面压力的分布与基础的刚度、作用于基础上的荷载大小和分布、基础的埋置深度、地基土的力学性质等许多因素有关。在均质地基中，地基附加应力随深度越向下越小；在多层地基土，地基附加应力随地基刚度变化而出现扩散或集中分布。

油罐设计容量1000m3，油罐基础底面积120m2，油罐自身重量45t。本油罐采用筏板基础，地基持力层为碎石土（压实填土）人工地基，可按均质各向同性土体的地基考虑。在基础底增设变刚度垫层，通过水泥的稳定作用，主要靠水泥水化后的产物——水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶以及水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体等自身的凝结硬化。凝结硬化后形成的水泥石能将松散材料紧紧地黏结在一起，遂产生力学强度；其次是水泥水化后生成的Ca(OH)，与松散材料起稳定其中颗粒骨架的作用，整体提高该垫层的刚度。其附加压力传递如图12。

图12 附加应力示意图

假设仅考虑双层地基，我们在基底增加设置变刚度垫层（上层），其变形模量高于下部碎石土垫层（下层），其一，变刚度垫层变形模量大于碎石土垫层的变形模量，相同厚度的垫层，变刚度垫层的变形量小于碎石土垫层；其二，因变刚度垫层（上层）变形模量大于碎石土垫层（下层）的变形模量，地基附加应力沿荷载中心线下分布发生应力扩散现象，作用在下层碎石土垫层上的附加应力减小，碎石土垫层的变形量减小。那么在基底下一定范围内增加设置变刚度垫层，再次将该处的地基附加应力扩散，而地基土由弱到强产生的地基附加应力集中远小于地基附加应力扩散，通过设置多层变刚度垫层从而减小整体地基变形。

2021年10月油罐建成后，在油罐内注水，对油罐区人工处理地基进行加载预压，在三个油罐设置12个沉降监测点，沉降值为1~3mm，远远小于常规碎石土垫层的设计要求。

5.结语

在多层地基产生的地基附加应力扩散和集中，与地基土的厚度、变形模量、泊松比等有关。变刚度垫层设计不但要满足建（构）筑物对地基强度和变形的要求，而且也应符合经济合理的原则。

（1）由于碎石土的泊松比变化不大，一般取值0.15~0.25，故地基附加应力的扩散主要取决于变形模量的比值E1/E2，调整变刚度垫层的刚度（变形模量）是垫层设计的核心。

（2）当上层土坚硬、下层土软弱，随上层土的厚度增大，其附加应力在下层扩散显著。根据下层地基强度计算变刚度垫层的厚度，以保证变刚度垫层的经济性、施工便捷性。

（3）根据基底压力分布特点，变刚度垫层应设置在地基变形计算深度范围内；变刚度垫层的宽度，宜为基础宽度的0.5~0.7倍。

[1] 编委会.延安新区黄土丘陵沟壑区域工程造地实践，中国建筑工业出版社，2019。

[2] 宰金珉.地基刚度的人为调整及其工程应用[C]. 中国土木工程学会第八届土力学及岩土工程学术会议论文集.南京，1999：235-238

[3] 张志刚,赫连志.浅基础下设变刚度垫层地基应力场模型试验[J],山东建筑工程学院学报，1999,14(4):1-4.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部,JGJ79-2012,建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部,GB50007-2011,建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[6] 杨德生,饶艺峰,吴一伟.剪切波速确定成层土层综合地基刚度系数的研究[J],工程勘察, 1997(3):68-70.

[7] 曾辉,余尚江.岩土应力传感器设计和使用原则[J],岩土工程学报,1994,16(1):93-98.

[8] 郭通,邓荣贵.大型飞机荷载作用下站坪结构对地基土附加应力的影响分析[J],路基工程,2014,172(1)95-99.